创新电化学系统高效处理电镀废水，氨回收达70%！

【研究背景】

电催化硝酸盐还原（ENRR）是一个重要的研究领域，因其在氨（NH3）回收和富硝酸盐废水处理方面展示了巨大的潜力而成为了研究热点。然而，复杂的废水基质长期以来制约了ENRR在废水处理行业的实施和商业化。因此，如何有效地将ENRR技术应用于实际的废水处理中成为了一个重要的挑战。

有鉴于此，北京大学Huijuan Liu以及河海大学周钢教授携手提出并开发了一种新型的电化学系统，称为电化学NO3−转化同步NH3回收（ECSN）。该系统通过同步进行硝酸盐还原和氨回收，旨在处理真实的富硝酸盐废水。

关键技术包括使用3D打印的金属玻璃装饰Cu–Ni（MPCN）工作电极，该电极具有优良的耐腐蚀性，以及一个紫外线辅助剥离单元。该系统在处理电镀废水时，将超过70%的硝酸盐转化为高纯度的氨氯化物，表现出优异的长期稳定性。技术经济分析和生命周期分析进一步证明了该系统的经济可行性和环境效益。

【表征亮点】

1. 实验首次开发了一种无膜电化学系统，称为电化学NO3−转化同步NH3回收（ECSN）。该系统创新性地将硝酸盐还原与氨回收同步进行，用于处理真实的富硝酸盐废水。

2. 实验通过使用3D打印的金属玻璃装饰的Cu–Ni（MPCN）工作电极和紫外线辅助剥离单元，实现了对电镀废水的处理。结果显示，ECSN系统能够将超过70%的硝酸盐转化为高纯度的氨氯化物，表现出显著的处理效率。

3. 通过长期稳定性测试，证明了ECSN系统在处理实际废水中的稳健性，表明其具有长期运行的可靠性。

4. 经济可行性和环境效益通过技术经济分析和生命周期分析得到了验证。研究结果表明，该系统在降低废水处理成本的同时，对环境保护也有积极贡献。

【图文解读】

图1：  解决水系统中硝酸盐问题的典型例子。

图2：MPCN的制备与表征。

图3：MPCN电极的电化学还原性能。

图4: MPCN电极的电化学稳定性。

图5: 从电镀废水中电化学回收NH3–N。

图6: ECSN的生命周期评价（LCA）和技术经济评价（TEA）。

【科学启迪】

本文展示了电催化硝酸盐还原（ENRR）在氨回收和富硝酸盐废水处理中的巨大潜力。通过开发无膜电化学系统ECSN，将硝酸盐还原与氨回收同步进行，研究者克服了废水基质复杂性对实施和商业化的障碍。系统中采用了3D打印的金属玻璃装饰Cu–Ni电极（MPCN）和紫外线辅助剥离单元，使其在处理真实电镀废水时能够高效地将超过70%的硝酸盐转化为高纯度氨氯化物。长期稳定性测试表明，ECSN系统在实际废水处理中的稳健性。此外，技术经济分析和生命周期分析进一步验证了该系统的经济可行性和环境效益。该研究不仅推进了电催化硝酸盐还原过程的实际应用，增强了对废水处理和氨回收的理解，还为推动循环经济和环境保护提供了重要的技术支持。这一成果强调了电催化技术在解决实际环境问题中的应用前景，并为未来废水处理技术的发展提供了新的方向。

参考文献：Zhang, G., Li, B., Shi, Y. et al. Ammonia recovery from nitrate-rich wastewater using a membrane-free electrochemical system. Nat Sustain (2024). https://doi.org/10.1038/s41893-024-01406-7